RECUBRIMIENTOS DE 560 AS PRODUCIDOS CON EL SISTEMA DE PROYECCIN TERMICA POR ARCO.

Hernando Vlez Snchez.

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniera, Departamento de Ingeniera Mecnica

Bogot, Colombia 2013

RECUBRIMIENTOS DE 560 AS PRODUCIDOS CON EL SISTEMA DE PROYECCIN TERMICA POR ARCO.

Hernando Vlez Snchez.

Tesis presentada como requisito parcial para optar al ttulo de: Magister en Ingeniera Mecnica:

Director: Ph.D Jhon Jairo Olaya Florez

Lnea de Investigacin: Ingeniera de Superficies

Anlisis de falla e integridad superficial Grupo de Investigacin:

AFIS

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniera, Departamento de ingeniera Mecnica

Bogot, Colombia 2013

A mis padres

Por quienes siento un amor infinito

Agradecimientos

Agradezco la asesora, gua y diligente colaboracin de los ingenieros Jhon Jairo Olaya F, Edwin Lpez, Fabio Castillejo, Alfredo Morales y ngela. Los autores agradecen a la compaa Cotecmar por su apoyo en la produccin de los recubrimientos y a Colciencias a travs del proyecto RESISTENCIA A LA CORROSIN Y AL DESGASTE DE RECUBRIMIENTOS PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA NAVAL APLICADOS POR LA TECNICA DE PROYECCION TERMICA con cdigo 110150227024

Resumen y Abstract IX

Resumen

Atendiendo la importancia en el desarrollo de nuevos recubrimientos para mejorar las propiedades de los materiales, en particular en las aplicaciones expuestas a desgaste abrasivo y corrosin, se ha estudiado el comportamiento del recubrimiento en acero inoxidable AS 560, similar a los aceros de la familia ASTM 420, aplicado sobre sustratos AISI/SAE 1045 y ASTM 316L, utilizando la tcnica de rociado trmico por arco, orientado a la potencial recuperacin dimensional de piezas utilizadas en ambiente marino. Fue realizado un diseo de experimentos del tipo Taguchi modificando las presiones de depsito, as como el voltaje de arco elctrico y la corriente de aplicacin de los recubrimientos. La caracterizacin microestructural se llev a cabo mediante difraccin de rayos X (XRD), microscopa electrnica (SEM), microscopa ptica y energa de dispersin (EDAX). Los recubrimientos presentan una estructura cristalina BCC con dureza en el orden de 540 HV, apropiadas para aplicaciones en algunos componentes navales. Por otra parte fueron realizados ensayos de corrosin mediante tcnicas electroqumicas de polarizacin potencio dinmica, siguiendo las procedimientos descritos en la norma ASTM G3 G5 y G102 [1-3], y ensayos de desgaste por abrasin siguiendo las recomendaciones de la norma ASTM G-65 [4]. La microdureza de los recubrimientos vari entre 320 y 550 HVN en la superficie y entre 300 y 430 HVN en la proximidad del sustrato, evidenciando una tendencia descendente hacia el sustrato, explicable por la falta de homogeneidad del recubrimiento en la seccin transversal. En los resultados de resistencia a corrosin se obtuvieron valores en el rango entre 0.0001856 y 0.0092348 mA/cm2 que son comparables con los presentados en la literatura, particularmente en los estudios realizados por Castelleti y colaboradores. El tipo de falla por corrosin es de delaminacin del recubrimiento por difusin del electrolito desde la superficie del recubrimiento hasta la superficie del acero. El mecanismo de falla predominante es picadura y tambin se observa rendija. Las tasas de corrosin varan entre o.50 y1.418 mmpy El recubrimiento en AS560 muestra valores de proteccin contra corrosin para el sustrato AISI 1045 ms no as para el ASTM 316L, ya que este ltimo material debido a su naturaleza de acero inoxidable con mayor contenido de cromo, nquel y molibdeno,asi como una microestructura ms homognea, presenta un mejor desempeo al ambiente corrosivo utilizado en esta investigacin. Los valores de los parmetros que se recomiendan para obtener una menor tasa de desgaste son corriente 120 amperios, voltaje 30 voltios y presin principal 3.2 bares, siendo la corriente el parmetro que mayor incidencia tiene, seguido por el voltaje. La tasa de desgaste se evalu mediante el clculo del coeficiente de desgaste K, de acuerdo con la ecuacin de Archard. Este valor vari entre 0.00113806 y 0.000780707

X Ttulo de la tesis o trabajo de investigacin

mm3/N-m. Los anteriores valores son comparables con otras investigaciones que relacionan la resistencia al desgaste abrasivo y los parmetros de aplicacin del recubrimiento. Sin embargo, son mayores a los obtenidos para los sustratos. Los modos de desgaste corresponden a abrasin, desgaste por fatiga superficial y delaminacin por contacto entre tres cuerpos. Los micromecanismos de desgaste abrasivo son microcorte, microfractura y microsurcado. Los valores recomendados de los parmetros estudiados, para disminuir el desgaste, son: voltaje 34 voltios, corriente 185 amperios y presin principal 4 bares. Se observa que entre mayor voltaje y presin, la resistencia al desgaste es mayor. En el caso de la presin principal de atomizacin, se obtuvieron valores bajos de desgaste para presiones cercanas a 4 bares. Este recubrimiento tambin mejora la resistencia a desgaste del sustrato AISI 1045, mientras en el caso del ASTM 316L aunque la diferencia entre la resistencia al desgaste del sustrato y la del recubrimiento es menor, tambin es una buena alternativa. De acuerdo con lo anterior, la aplicacin de recubrimientos en el material comercial AS560 no es una buena alternativa para obtener una proteccin duradera en el ambiente marino, debido a su relativamente alta velocidad de corrosin, sin embargo pueden constituir una alternativa interesante desde el punto de vista econmico, para la recuperacin dimensional de componentes deteriorados, previa verificacin de su integridad estructural. Palabras clave: rociado trmico por arco, AISI 1045, ASTM 316L AS560, corrosin, desgaste, ambiente marino.

Abstract. The claim (needless) for the development of new coatings aimed to the improvement of materials properties , mainly(particularly) in sea environment applications, where components are subjected to abrasive wear and corrosion, has motivated the material engineers to study stainless steel coating AS560 performance, a kind of coating similar to ASTM 420 stainless steel family, applied over AISI SAE 1045 and ASTM 316L substrates, using thermal arc spray technology. The main objective is the dimensional recovery of such a components above mentioned. It was developed a design of experiments (DOE) of Taguchi kind, taking the voltage, current and principal atomization pressure like parameters. Micro structural characterization was done by using X-ray diffraction analysis (XRD), light microscopy, and x-ray Dispersive energy (EDS). It was found that coatings show a BCC crystalline structure with micro hardness ranking in 540

XI

HV, a value similar to some marine components. On the other hand, potentiodynamic polarization corrosion testing according ASTM G3, G5, and G102 standards were performed.[1-3] Wear resistant were determined by three body abrasion ASTM G-65 testing [4]. Coatings micro hardness ranked between 320- 550 HVN on the surface and 300-430 HVN near the substrate. This difference is due to coating inhomogeneity in the cross section. Corrosion resistance results show values between 0.0001856 and 0.0092348 mA/cm2, similar to that obtained by Castelleti et al for similar material. Corrosion failure mode is coating delamination caused by electrolyte diffusion from coating surface toward substrate following coating defects like porosity and voids, and corroding mainly metastable iron oxides formed during coating process. Failure mechanism is mainly pitting although it was observed crevice too. Corrosion rates ranked between and mmpy. A certain degree of corrosion protection was observed in AISI 1045 substrate, due to coating action but not for ASTM 316L substrate. The last is a nobler material compared with the coating. Containing more chrome, nickel and molybdenum and having a more homogeneous structure, shows a better performance in the environment used in this study. Recommended Parameter values in order to get a lower corrosion rate are: current the more influent on icorr must be selected about 120 amperes, voltage: 30 volts, and principal pressure: 3.2 bars. Incidence order on icorr are current, voltage and principal pressure. .Wear rate was assessed by wear coefficient (K) calculation, using Archard equation. This varied between 0.00113806 and 0.000780707 mm3/N-m. Last values are similar to that reported by other authors. However, they are higher tan that obtained for the substrates. Wear modes were identified like abrasion , surface fatigue and delamination wear. Wear micro mechanisms were micro cutting, micro cracking and micro ploughing. Parameter recommended set are: voltage: 34 volts, current 185 amperes and principal pressure 4 bar. It could be observed tan raising the voltage and pressure, wear resistance increase. In the case of principal pressure, the low wear rates were identified to occur at near 4 bar. This coating improve AISI 1045 wear resistance and for ASTM 316L shows a slighly difference. According to the findings above related, coating applications of AS560 over each of the two substrates is an acceptable alternative for dimensional recovery, previously structural integrity assessment, but no is a recommended practice for protecting against abrasive wear nor corrosion processes in marine environments. Key words: arc spray, AISI 1045, ASTM 316L,AS560, corrosion, wear, marine environment.

XII

Contenido

1 INTRODUCCIN .......................................................................................................... 17

2 Antecedentes. ............................................................................................................. 19

3 Marco terico .............................................................................................................. 29 3.1 Rociado trmico o proyeccin trmica................................................................. 29 3.1.1 Rociado trmico por arco elctrico.................................................................... 30 3.1.2 Equipo de arco................................................................................................... 32 3.1.3 Aplicacin del revestimiento .............................................................................. 35 3.1.4 Fundamentos de Desgaste ............................................................................... 44 3.2 Tcnicas de caracterizacin ................................................................................ 47 3.2.1 Caracterizacin microestructural ....................................................................... 47 3.2.2 Microscopia de Barrido Electrnico (SEM) ....................................................... 48

4 Desarrollo experimental ............................................................................................ 55 4.1 Diseo de experimento ........................................................................................ 55 4.1.1 Objetivos del experimento. ................................................................................ 55 4.2 Aplicacin de recubrimientos ............................................................................... 60 4.3 Caracterizacin microestructural ......................................................................... 65 4.3.1 Difraccin de rayos X ........................................................................................ 65 4.3.2 Microscopa de barrido electrnico SEM .......................................................... 65 4.3.3 Preparacin metalogrfica ................................................................................ 65 4.3.4 Evaluacin de la resistencia a la corrosin ....................................................... 65 4.3.5 Evaluacin de la resistencia al desgate ............................................................ 66

5 Resultados y Discusin ............................................................................................. 69 5.1 Caracterizacin de recubrimientos ...................................................................... 69 5.1.1 Rugosidad .......................................................................................................... 69 5.1.2 Espesor .............................................................................................................. 73 5.2 Caracterizacin de microestructura ..................................................................... 75 5.2.1 Difraccion de rayos X ........................................................................................ 75 5.2.2 Metalografa ....................................................................................................... 79 5.3 Resistencia a la corrosin .................................................................................... 85 5.3.2 Caracterizacin Microestructural ....................................................................... 94 5.3.3 Caracterizacin del ensayo de corrosin mediante DRX ................................. 96 5.4 Resistencia al desgaste ....................................................................................... 99 5.4.1 Resultados y caracterizacin de desgaste .................................................... 101 5.4.2 Influencia de los parmetros de proceso en el desgaste. .............................. 103 5.4.3 Caracterizacin microestructural. .................................................................... 110

6 Conclusiones y Recomendaciones ........................................................................ 119 6.1 Recomendaciones. ............................................................................................ 120

XIII

ANEXO A. CARACTERIZACION MICROESTRUCTURA. SEM- EDAX.

ANEXO B. METALOGRAFIAS TRATAMIENTOS

ANEXO C. PERFILOMETRIA RECUBRIMIENTO.MICROSCOPIA CONFOCAL.

ANEXO D. ENSAYO POTENCIODINAMICO. CURVAS DE TAFEL.

ANEXO E. OBSERVACION HUELLA DE DESGASTE ABRASIVO

MICROSCOPIA CONFOCAL.

ANEXO F. SEM-EDAX HUELLAS DESGASTE.

ANEXO G SEM EDAX ENSAYO CORROSION.

ANEXO H COMPONENTES EN LOS QUE SE UTILIZA ROCIADO TERMICO.

XIV

Lista de Figuras.

Figura 2-1 Influencia de los factores en la velocidad de la partcula estudio de Wilden et

Figura 2-2 Influencia de los factores en la temperatura de la partcula Wilden et al.

Figura 2-3 Ancho de la pluma dependiendo de los parmetros del proceso Wilden et al.

Figura 2-4 Microestructuras formadas sobre Ni 5% Al aplicando arco, plasma y HVOF.

Figura 2-5 Microestructura tpica de recubrimientos aplicados por rociado trmico por

arco sobre sustrato X46Cr13.

Figura 2-6 a. Imagen Tomada con SEM, del recubrimiento de aluminio sobre el

substrato.

Figura 2-7 Curvas de ensayo potenciodinmico para sustrato AISI 420.

Figura 2-8 Microestructuras obtenidas para recubrimientos en X46Cr13 para varios

tratamientos cambiando los parmetros. Adaptado de Schafler Filho [18].

Figura 2-9 Difractograma recubrimiento AISI 420 presentado por Jin.

Figura 3-1. Formacin del recubrimiento sobre el sustrato. Tomado de ASM Thermal

spray handbook..

Figura 3-2 Vista tridimensional de la formacin del recubrimiento con poros, xidos, y

material sin fundir. Tomado de ASM Thermal spray handbook.

Figura 3-3. Esquema tpico del proceso por arco elctrico [32].

Figura 3-4. Detalle de la ubicacin del sitio donde se forma el arco.

Figura 3.5 Equipo arc spray. Sistema de alimentacin de los alambres

Figura 3-6. Superficie de anclaje del sustrato

Figura 3-7 a. Cambios energticos en el proceso de corrosin. b. Reaccin de la

corrosin en el metal [18]

Figura 3-8 Curva de polarizacin ensayo potenciodinmico

Figura 3-9 Esquema caracterstico del fenmeno de desgaste.

Figura 3-10 Esquema ilustrativo del proceso de desgaste abrasivo [24].

Figura3-11. Dispositivo para ensayo de desgaste por abrasin ASTM G65.

Figura 3-12 Representacin esquemtica de la difraccin de Rayos X.

Figura 3-13 (a) Esquema de funcionamiento del microscopio electrnico de barrido (b)

Figura 3-20. Desgaste erosivo.

Figura 3-21 Mecanismos de desgaste.

Figura. 4-1 Probetas despus de aplicar el granallado.

Figura. 4-2 Aspecto de las probetas para ensayo de corrosin, despus del granallado

Figura 4-3 Seleccin de los parmetros del equipo. a. Corriente limite b. voltaje.

Figura 4-4 Instalacin del alambre en la pistola. a.Armado cabezal b. Pistola

Figura 4-5 Aplicacin de los recubrimientos. A. montaje de las muestras en la placa. B.

aplicacin.

Figura 4-6. Equipo utilizado para el ensayo de desgaste por abrasin de acuerdo con

ASTM G-65.

Figura 5-1 Grfica-anlisis del perfil de rugosidad vs el espesor del recubrimiento..

Figura 5-2 Relacin entre la rugosidad y los parmetros de aplicacin.

Figura 5-3 Grfica espesor del recubrimiento para los diferentes tratamientos

Figura 5- 4. Vista general de los espectros de rayos, realizados sobre la superficie de los

tratamientos.

XV

Figura 5-5 Espectros de rayos x para los tratamientos realizados, organizados por

sustrato y tratamiento.

Figura 5-6 Detalle zonas analizadas con EDAX para composicin elemental

Figura 5-7 Seccin transversal tpica del recubrimiento de esta investigacin, mostrando

la microestructura con inclusiones y defectos de enfriamiento.

Figura 5-8 Formacin de xidos al interior de los splats durante la aplicacin. Oxidos y

poros en la interface de los splats.

Figura 5-9 Micrografa sem de la seccin transversal mostrando grietas entre splats

Figura 5-10. Micrografa muestra tratamiento 2 tomada en microscopio ptico

Figura 5-11 Mapa de parmetros de depsitos y metalografas 200X

Figura 5-12 .Mapa de parmetros de depsitos y metalografas 200X

Figura 5-13. Curva de polarizacin de Tafel acero ASTM 316L.

Figura 5-14 Influencia de los parmetros de aplicacin en la densidad de corriente de

corrosin.

Figura 5-15 a. Efectos principales para las relaciones seal ruido (S/N). b. Efectos

principales para las medias de los tratamientos.

Figura 5-16 Fotografa de microscopio ptico del tratamiento 1 a) recubrimiento

depositado sobre el sustrato AISI 1045 b) sobre el sustrato ASTM 316 L

Figura 5-17 Micrografas SEM de los 4 en la superficie en la seccin transversal (500X).

Figura 5-18. Micrografia SEM de la superficie del recubrimiento del tratamiento 4.

Figura 5-19 Difraccin de rayos X sobre superficies corrodas en los 16 tratamientos.

Figura 5-20 Propuesta del mecanismo de corrosin a. inicio. b y c. Propagacin.

Figura 5-21 Diagrama de Pourbaix para el hierro

Figura 5-22 Zonas caractersticas del recubrimiento de acuerdo con su densidad.

Figura 5-23 Dureza en la seccin transversal en los tratamientos con sustrato de

AISI/SAE 1045

Figura 5-24 Desgaste para los diferentes tratamientos.

Figura 5-25 Relacin entre la tasa de desgaste y la dureza de los recubrimientos.

Sustrato ASTM 316L

Figura 5-26 Prdida de material vs parmetros de aplicacin.

Figura 5-27 a. Efectos principales para las medias. A Voltaje. B Corriente. C. Presin

principal.

Figura 5-28 Micrografa SEM en 100X de la superficie desgastada por abrasin y algunas

secciones transversales de los mismos en 200X.

Figura 5-29 Defectos predominantes en las muestras despus del ensayo de desgaste

XVI

Lista de tablas

Tabla 2-1: [14]. Parmetros utilizados por Wilden et al.para el proceso de rociado trmico

por arco.

Tabla 2-2 Compaas internacionales que han adoptado procesos de proyeccin termica

Tabla. 3-1 Relacin entre la rugosidad de la superficie y el mtodo empleado para pulir.

Datos promedio de rugosidad en m

Tabla 3-2 Parmetros de los procedimientos A, B, C, D y E.

Tabla 3-3 Matriz ortogonal L12.

Tabla 3-4 Arreglo L9 para 4 factores 3 niveles.

Tabla 4-1 Arreglo ortogonal de Taguchi L9(34-2)

Tabla 4-2 Niveles de las variables seleccionadas.

Tabla 4-3 Condiciones de operacin del equipo de rociado.

Tabla 4- 4 Condiciones de operacin del equipo. Matriz de Taguchi

Tabla 4-5. Composicin qumica de los sustratos.

Tabla 4.6 Composicin alambre AS500

Tabla 4.7 Composicin alambre 560 AS.

Tabla 5.1 Resultados de medicin de rugosidad a los recubrimientos.

Tabla 5.2 Resultados de medicin de espesor a los recubrimientos.

Tabla 5-3 Resumen de seales de difraccin de rayos x encontradas en los

tratamientos..

Tabla 5-4 Datos experimentales del ensayo de resistencia de polarizacin de Tafel para

recubrimientos sin pulir y pulidos sobre sustratos AISI 1045 Y AISI 316L.

Tabla 5-5 Influencia de los factores sobre la densidad de corriente de corrosin.

Tabla 5-6. Clculo de la diferencia mxima entre medias de efectos

Tabla 5-7 Tabla de respuesta para relaciones de seal a ruido

Tabla 5-8 Tabla de respuesta para medias

Tabla 5-9 Tasa de desgaste para los tratamientos realizados

Tabla 5-10 Influencia de los factores sobre la tasa de desgaste

Tabla 5-11 Efectos de las medias de la seal S/R.

Tabla 5-12 presenta un anlisis similar pero tomado sobre las medias de las respuesta,

se los valores medios de K

Tabla 5-13 Valores de icorr y K para los diferentes tratamientos.

1 INTRODUCCIN

Con el continuo adelanto en las tecnologas de ingeniera de superficies, se han realizado propuestas de desarrollo como la proyeccin trmica tambin conocido como rociado trmico o metalizacin. Estos procesos buscar resultados ptimos en el desempeo de los recubrimientos cuando son sometidos a pruebas de alto desempeo y que desafan sus propiedades fsicas, qumicas y mecnicas. Dado que los tratamientos superficiales son ampliamente utilizados en todas las industrias con fines funcionales y estticos, estas tcnicas tambin se encuentran en progreso para satisfacer las necesidades de los usuarios en la industria naval.

Especficamente, en la industria naval, los requerimientos de resistencia a la corrosin y al desgaste por abrasin y erosin son considerablemente elevados, debido a las caractersticas del medio donde cumplen su funcin todos los componentes navieros. Cuando estos componentes han operado durante un perodo de tiempo, presentan signos de deterioro particularmente en su superficie, que pueden afectar la funcionalidad del elemento o de su conjunto, antes de lo previsto. Bloques y culatas de motor, asientos de vlvulas, exhostos, camisas de bomba, compuertas de vlvulas, ejes, tubos y otros elementos, son comnmente llevados a reparacin luego de meses de estar sometidos a altas temperaturas, altas presiones, al ataque de la corrosin por el medio salino y a las diferentes clases de desgaste y fatiga. Surge entonces la necesidad de emplear la tecnologa de proyeccin trmica por arco para proteger y restaurar aquellas piezas que, por sus condiciones de funcionalidad, se encuentran expuestas al ataque de agentes corrosivos y fuertes regmenes de desgaste. Este mtodo se caracteriza por ser verstil, econmico y eficiente, de modo que logre proporcionarle a las piezas mayor resistencia o durabilidad, y que a su vez, pueda ser utilizado no slo como una tarea de mantenimiento, sino que tambin pueda utilizarse de forma preventiva en la manufactura de componentes.

La tcnica de rociado trmico por arco ha sido objeto de mucho estudio en los ltimos aos, debido a su forma eficiente de depositar los compuestos, adems las partculas impactan la superficie del substrato con una relativamente alta velocidad, lo cual produce depsitos con buena densidad, altas tasas de depsito, buenas propiedades mecnicas y se caracterizan por la temperatura relativamente baja de los gases y el sustrato que en algunos recubrimientos puede favorecer la formacin de una estructura cristalina / amorfa de los depsitos. Estas ventajas permiten modificar las propiedades de los materiales con que se fabrican los productos, sin necesidad de afectar el resto de la pieza, como sucede con algunas tcnicas tradicionales de soldadura, o de recubrir las superficies expuestas con mtodos como galvanizado, cromo duro, zincado, pavonado, etc.

Los fabricantes de los equipos y materiales de recubrimiento promocionan esta tcnica como una buena alternativa para recuperacin de partes que de otro modo seran desechadas. Sin embargo, al hablar con los usuarios, en el pas no se logrado imponer

18

de una manera contundente este sistema en la industria naval, y es un reto poder argumentar sobre su eficiencia o deficiencia desde el punto de vista tcnico y cientfico.

Aunque la tcnica de aplicacin de recubrimientos o revestimientos se ha utilizado en el pas desde hace varias dcadas, su uso no es tan extendido como en otros pases, debido principalmente a cierto desconocimiento de sus potencialidades a la complejidad que puede tener el desarrollo de nuevas aplicaciones y por qu no se encuentran investigaciones locales que traten un metodologa que permita optimizar estos recubrimientos. Se conoce que algunas universidades del pas, como la Universidad del Valle, la Universidad Tecnolgica de Pereira y la Universidad de Antioqua, han adelantado estudios e investigaciones sobre este tema, sin embargo no existe abundante bibliografa a nivel local que soporte desarrollos prcticos sobre el mismo.

Ahora bien, indudablemente el rociado trmico en sus diferentes mtodos es una buena opcin tanto para la recuperacin de piezas, como para la proteccin de las mismas. Aplicando esta tcnica de manera eficiente, las empresas disminuiran en forma considerable sus costos debidos a paradas programadas y no programadas en los equipos e instalaciones, con todo lo que ello implica.

En esta investigacin se propone desarrollar un recubrimiento inoxidable martenstico conocido comercialmente AS 560 empleando la tcnica de proyeccin trmica por arco sobre sustratos de acero AISI 1045 y ASTM 316 L, que se caracterizan por tener una amplia aplicacin en la industria naval. Para desarrollar un trabajo sistemtico y metodolgico se empleara un sistema robusto, el cual permitir recomendar un conjunto de parmetros de depsito que permitir a la industria naval utilizar e incrementar el nmero de desarrollos a nivel industrial, es as que esta tesis ayudara de alguna manera en contribuir con la implementacin de tecnologas avanzadas de ingeniera de superficies en el desarrollo de la industria en el pas.

Para lograr esto, el objetivo general de investigacin es Producir y caracterizar recubrimientos de acero inoxidable sobre aceros AISI 1045 y ASTM 316L mediante la tcnica de proyeccin trmica por arco, y los objetivos especficos:

Producir recubrimientos de acero inoxidable 560AS sobre acero ASTM 316L y AISI 1045 respectivamente variando el voltaje y la presin de aire principal en un sistema de proyeccin trmica por arco.

Caracterizar microestructuralmente (difraccin de rayos y microscopia electrnica de barrido) y evaluar la resistencia a la corrosin (polarizacin potenciodinmica) y al desgaste (ensayo de abrasin) los recubrimientos producidos.

Evaluar la influencia del voltaje de arco y la presin del aire de atomizacin sobre la resistencia al desgaste y la corrosin de los recubrimientos producidos.

2 ANTECEDENTES.

Aunque hay una numerosa bibliografa sobre el tema de rociado trmico por arco, no se ha encontrado mucha informacin sobre el trabajo en particular. A continuacin se resumen algunos antecedentes destacados y que estn relacionados con la investigacin propuesta.

Janet Osteryoung y colaboradores realizo un recuento del desarrollo de la instrumentacin electroqumica, haciendo nfasis en el perfeccionamiento de instrumentos electroqumicos que proporcionen un mejor entendimiento de la corrosin y la pasivacin de superficies de metal. En este punto debe resaltarse que la mayora de las investigaciones se adelantan bajo condiciones de potencial controlado, pero casi todos los procesos electroqumicos se efectan con corriente controlada; en la aplicacin de este mtodo es vital entender cmo se comporta la interfase metal/electrolito para deducir de qu manera la energa y la estructura influyen en las reacciones electroqumicas [35].

En Wilden, Bergman et [14] y colaboradores realizaron un estudio acerca de las propiedades del recubrimiento en acero al cromo aplicado por rociado trmico por arco (ver figuras 2.1, 2.2 y 2.3). Ellos mencionan la importancia de los recubrimientos en cromo para proteccin contra desgaste y corrosin. Realizaron un diseo de experimentos que persegua la optimizacin de los parmetros del proceso (ver tabla 2.1). Utilizaron una cmara de alta velocidad para registrar la forma y el recorrido de las partculas fundidas y atomizadas. Midieron los efectos de corriente, voltaje y presin de atomizacin en las propiedades del chorro de partculas. Determinaron la velocidad, temperatura de las partculas as como el espesor de la pluma. En su investigacin realizaron un diseo de experimento con el objetivo de optimizar los parmetros de aplicacin de acero inoxidable al cromo, aplicado por la tcnica de arc spray, utilizando una cmara de alta velocidad. Han determinado experimentalmente los efectos de la corriente, el voltaje y la presin de atomizacin del gas de transporte, en las propiedades del chorro de partculas, velocidad y temperatura media de las mismas. Adems de lo anterior, midieron las propiedades del depsito, relativas a la morfologa, formacin y composicin de fases, utilizando SEM, EDX, y XRD. Estas profundas investigaciones permitieron verificar la influencia de los parmetros del proceso en la, pluma de rociado y las propiedades del recubrimiento y se pueden tomar como base para futuros experimentos de optimizacin.

Encontraron una relacin entre los parmetros mencionados y la formacin de las gotas, as como las tres caractersticas mencionadas para la pluma de rociado y las partculas, y con la microestructura y propiedades resultantes en el depsito. Del anlisis de sus resultados se desprende que el factor que ms influye en las propiedades del recubrimiento es la presin del aire de atomizacin. La velocidad aumenta con la presin y el voltaje, debido a una menor masa que requiere ser acelerada. La velocidad a su vez

20

tiene junto con la temperatura, la mayor influencia en la formacin de los splats, a travs del impacto sobre el sustrato y las posteriores capas.

En los difractogramas mostrados se identifica la presencia de FeCr, Fe3O4 y Cu proveniente del recubrimiento del alambre. No se identifican compuesto de carbono, ni la presencia del mismo, aunque su porcentaje es cercano a 0,4%. De modo semejante, en el anlisis EDAX realizado en las diferentes fases identificadas en SEM, no se identifica la presencia de C. El documento seala que el equipo EDAX no permite identificar de modo confiable la presencia de C ni O.

Tabla 2-1 Parmetros utilizados por Wilden et al [14].

Figura 2-1 Influencia de los factores en la velocidad de la partcula estudio de Wilden et al [14].

Figura 2-2 Influencia de los factores en la temperatura de la partcula Wilden et al [14].

21

Figura 2-3 Ancho de la pluma dependiendo de los parmetros del proceso Wilden et al.

En el trabajo de Sitichai Wirojanupatump et al [75] se realizaron depsitos de acero inoxidable, variando los parmetros de rociado, con el objetivo de encontrar la influencia de los parmetros en la microestructura y morfologa de los depsitos y encontraron que la presin de gas tiene una gran influencia en el tamao y forma de las partculas, mientras la distancia no influa mucho. A mayor distancia de aplicacin, se obtienen partculas ms pequeas. Entre mayor presin, menor el tamao de los depsitos, ya que las partculas impactan con mayor energa sobre la superficie. La rugosidad e la capa depositada, no vara mucho al variar los parmetros. El espesor de la capa de

22

recubrimiento, aumenta con la presin de gas, mientras la dureza y porosidad dependen bastante de la presin y menos de la distancia. El contenido de xidos depende de ambos parmetros.

Por otro lado V. I. Gedzevicius y sus colaboradores [8] estudiaron los efectos de

velocidad de la partcula y temperatura en el ncleo del alambre en las propiedades del

recubrimiento. Los resultados de esta investigacin sistemtica en la influencia de

diferentes configuraciones en la boquillas en las propiedades de los recubrimientos

incluyendo las propiedades dinmicas de los gases calculando el spray usando el cdigo

CFD, temperatura, velocidad y dimetro de las partculas en mediciones en vuelo y los

efectos de las propiedades de las partculas del recubrimiento, los poros y el contenido

de xido. La microestructura de los recubrimientos usando una nueva y desarrollada

boquilla para el spray fue estudiada y comparada con las boquillas tradicionales. Las

pruebas mostraron que el recubrimiento producido con este equipo tiene mejores

propiedades que otros recubrimientos regulares.

Deshpande y colaboradores [24] describieron los mecanismos de oxidacin y su papel en

la evolucin micro estructural de los recubrimientos metlicos aplicados por rociado

trmico Estudiaron la influencia de los mecanismos involucrados en el proceso de

rociado, en la microestructura del recubrimiento. Luego realizaron una comparacin en

una aleacin de Ni 5% Al aplicando tres procesos diferentes: HVOF, Plasma y arco.

Tambin analizaron los mecanismos de oxidacin durante la formacin de las partculas

y su recorrido hasta el recubrimiento. Dentro de su investigacin presentan una discusin

acerca de los xidos formados durante la trayectoria y los que se forman una vez las

partculas han formado los splats, o sea en las interfaces entre lminas. En la figura 2-4

se observa los splats gruesos formados por la aplicacin de la tcnica de arco en la

primera lmina superior, y las tcnicas plasma a la derecha y HVOF abajo.

Figura 2-4 Microestructuras formadas sobre Ni 5% Al aplicando a. arco, b. plasma y c. HVOF [8].

a

)

b

)

c

)

23

Yionchiong Cien y colaboradores [80] realizaron un modelamiento de la formacin de la

formacin del recubrimiento y el proceso de transferencia de calor en estado transitorio,

utilizando la tcnica de elementos finitos. Al aumentar la presin de atomizacin, las

partculas resultantes tienen jun menor tamao y la estructura laminar es ms fina.

Ahora bien la presin de atomizacin es uno de los factores que tiene ms influencia

sobre el tamao de la partcula y la estructura resultante. En la figura 2-5 se observa la

estructura para un recubrimiento en acero X46Cr13. Se puede identificar la estructura

ms fina lograda al aumentar la presin del aire pero con un aumento de xidos. Con

nuevas tcnicas, se intenta aumentar la velocidad del aire, sin necesidad de aumentar su

caudal, con esto se pueden lograr recubrimientos ms densos y con menor contenido de

xidos. La figura 2-5 muestra diferentes clases de estructuras encontradas al cambiar el

tipo de b oquilla de alimentacin de alambre.

Figura 2-5 Microestructura tpica de recubrimientos aplicados por rociado trmico por arco sobre sustrato X46Cr13. a. Boquilla abierta. b. boquilla cerrada. Adaptado de [7].

Steve Luterek y Craig J. Maguire [76] estudiaron el diseo y produccin de

recubrimientos de aluminio para proteccin en ambientes marinos, con el objeto de

reducir las grietas producidas por el mecanismo de falla corrosin esfuerzo. Estudiaron

fallas de este tipo ocurridas en substratos AISI 316, sometidos a temperaturas de 150C.

Este trabajo Hace nfasis en la importancia de que la calibracin del equipo sea

realizada de acuerdo con el manual del fabricante, la importancia de desarrollar un

protocolo o procedimiento calificado de aplicacin, y de monitorear el desarrollo del

proceso, con el objetivo de mantenerlo dentro de las especificaciones del procedimiento.

Tambin se ha observado para en algunas aplicaciones el acero de bajo carbono puede ser recubierto con aluminio. El principal mecanismo de adhesin en esta clase de recubrimientos es el de anclaje mecnico. Para probar la resistencia del recubrimiento a la corrosin, se sumergi en sales y se elev la temperatura. Para caracterizar el comportamiento se utiliz microscopia electrnica de barrido y difraccin de rayos x. Se observ que los revestimientos forman capas superficiales que sirven para pasivar el substrato y tambin se pueden utilizar como material de sacrificio.

Una de las ventajas de este procedimiento frente a tcnicas ampliamente utilizadas como galvanizado, es que permite depsitos ms gruesos. El material ms utilizado para estos revestimientos es el aluminio en polvo. Las muestras se sometieron a la accin de agua

a

)

b

)

24

salada y temperatura, durante 1 mes. De esta forma se puede seleccionar un material de recubrimiento que contenga los elementos y compuestos para proteger contra la accin de los mecanismos de falla mencionados.

Al utilizar el aluminio, entre los componentes del revestimiento, se produce oxido de aluminio cuando interacta con el ambiente oxidante, y la capa de xido proporciona la proteccin. Es importante que la adherencia sea muy buena, ya que el depsito tiene una estructura laminar, que si no tiene buena adhesin, se separar de las otras lminas, dejando descubierta la superficie del substrato. Como en la mayora de materiales que son resistentes a la corrosin, del material del revestimiento se corroe a una menor rapidez que el del substrato, y en algunos casos forma capas pasivantes para protegerlo.

Figura 2- 6 Imagen tomada con SEM, del recubrimiento de aluminio sobre el substrato. [23].

En la imagen 2-6 se observan los xidos de aluminio en el recubrimiento, que sirven para pasivar la superficie del substrato. Tambin se observan compuestos de Al-Fe, debido a difusin del hierro hacia el revestimiento. Wei-min Zhao, Cun li et al [9]

Seiji Kuroda y colaboradores [80] estudiaron la microestructura y resistencia a la

corrosin de recubrimientos de acero inoxidable 316 L y Hastelloy C aplicadas sobre

aceros de medio carbono, ver figura 2-7. En las curvas de polarizacin se realiza la

comparacin entre los comportamientos del material del sustrato y el material utilizado en

el recubrimiento. Encontr una degradacin en las propiedades de resistencia a corrosin

del material utilizado en el recubrimiento, una vez se ha aplicado. Presenta el aumento

en la densidad de corriente de corrosin en el pico de pasivacin en 2 rdenes de

magnitud, y una disminucin de 700 mV a 100 mV en el potencial de activacin, para el

material Hastelloy C.

25

Figura 2-7 Curvas de ensayo potenciodinmico para sustrato ASTM 420 [10]. a) relacionados con el sustrato y recubrimiento de acero inoxidable y b) sustrato y recubrimiento de Hastelloy.

Schiefler Filho et al[13] realizaron un estudio acerca de la influencia de los parmetros de rociado sobre la calidad del recubrimiento obtenido utilizando acero X46Cr13, sobre acero de bajo carbono, por el mtodo de HVCW 8 (High velocity combustin wire). Aunque este proceso es diferente al presentado en este trabajo, se toman algunas indicaciones por ser el mismo material de recubrimiento. Estudiaron la influencia de la velocidad delas partculas en la adhesin del recubrimiento al sustrato. Presentaron resultados de las mediciones de resistencia de polarizacin, corriente de corrosin y potencial de reposo para recubrimientos aplicados en acero AISI 420.

Schiefler Filho y colaboradores [20] analizaron la influencia de los parmetros de proceso

sobre la calidad de los recubrimientos en X46Cr13 aplicados por rociado trmico.

Estudiaron recubrimientos aplicados por arco elctrico sobre sustrato de acero de medio

carbono. En la figura 2-8 se muestran fotografas de la microestructura tomadas en

microscopio ptico, antes y despus de sumergir las piezas en una solucin marina

sinttica durante 96 horas. En el caso de la figura 2-8, los recubrimientos aplicados por

arco elctrico corresponden a las fotografas antes y despus de sumergidos en el

ensayo.

a

) b

)

26

Figura 2-8 Microestructuras obtenidas para recubrimientos en X46Cr13 para varios tratamiento cambiando los parmetros. Adaptado de Schafler Filho [18].

Guo Jin y colaboradores [26] presentan un trabajo sobre la microestuctura y el

comportamiento a desgaste por deslizamiento del material AISI 420, aplicado por los

mtodos (EEDS) (pro sus siglas en ingls, electro termal explosin directional spraying) y

HVAS (por sus siglas en ingls, high velocity arc spraying. La figura 2.9 presenta el

espectro de difraccin de rayos x logrado en esta investigacin en donde se observan las

fases del Fe-Cr, Fe, y xidos de hierro.

Figura 2-9 Difractograma del recubrimiento AISI 420 [26].

Guiumin Liu y colaboradores [15] present un estudio sobre las caractersticas

cuantitativas de los recubrimientos de FeCr depositadas por el sistema HVAS.

Encontraron que la microestructura de los recubrimientos est basado en FeCr,

presentan tres capas de la microestructura, las cuales corresponden a tres rangos de

27

dureza diferentes, medidos a partir de la interfase sustrato recubrimiento. Estas son;

porosa en la zona inferior del recubrimiento, densa en la zona intermedia y exterior en la

parte ms distante del sustrato. Los valores ms altos de microdureza se observan en la

zona densa.

Por otro lado en el sector industrial a nivel mundial varias empresas ofrecen servicio

especializndose en distintas piezas y sectores industriales, en la Tabla 2-2 se muestran

las empresas ms representativas.

Tabla 2-2 Compaas internacionales que han adoptado procesos de proyeccin trmica

EMPRESA UBICACIN

Wartsila Canad, Italia, Pases Bajos, Singapur y China

Goltens Estados Unidos, Europa, Asia y Medio Oriente

Azuma Engineering Japn y Singapur

Mek LTD Grecia

Roussakis S.A. Grecia

L. Kelepouras Grecia

Kimi S.A. Grecia

UkrNIMF Ucrania

Paivi Diesel Estonia

Inter-Mar Turqua

Reneko Estonia

Shipservice Estonia

Retech Bulgaria

Baker & Provan Australia

Map Nutica Argentina

Unitor Reino Unido

Arrant Services Ucrania

Chris Marine Suecia, Noruega y Malasia

3 MARCO TERICO

Se presentan en este captulo los conceptos bsicos en el rociado trmico por arco, haciendo nfasis sobre las principales variables del proceso, as como las caractersticas de los equipos utilizados para la aplicacin de los recubrimientos y las ventajas y desventajas que presenta la tcnica.

3.1 Rociado trmico o proyeccin trmica

Generalmente el proceso de proyeccin trmica tiene un sistema de alimentacin de material de revestimiento. Puede ser simplemente un depsito o recipiente para en material pulverizado, que permita una alimentacin regulada hacia el dispositivo de suministro de energa, o un sistema de alimentacin continua de alambre, similar al que se utiliza en los procesos de soldadura automtica por arco sumergido o en el proceso MIG. Una vez el material es expulsado de la pistola del equipo de proyeccin trmica, las gotas de las partculas fundidas se acercan hacia el sustrato y se adhieren, para formar el depsito los splat y luego el depsito (figura 3.1).

Figura 3-1. Formacin del recubrimiento sobre el sustrato. Tomado de ASM Thermal spray handbook [6].

La forma en que las partculas de recubrimiento se unen al sustrato y entre ellas mismas, no presenta un carcter metalrgico, ya que no hay fusin de ambos materiales para crear una estructura. La estructura del recubrimiento puede contener poros, xidos y material sin fundir que obviamente influyen en la calidad y propiedades del recubrimiento, ver figura 3.2.

30 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Figura 3-2 Vista tridimensional de la formacin del recubrimiento con poros, xidos, y material sin fundir. Tomado de ASM Thermal spray handbook [6].

3.1.1 Rociado trmico por arco elctrico

Una de las tcnicas ms populares en la aplicacin de recubrimiento por proyeccin trmica es la de arco elctrico. Esta tcnica tiene entre otras ventajas su bajo costo, altas tasas de depsito y la obtencin de valores de adherencia relativamente altos ( 69 MPa), alta resistencia a la cohesin, sin aumentar considerablemente la temperatura del sustrato. Sus principales desventajas son la produccin de porosidad y xidos debido principalmente al uso de aire para realizar la atomizacin y transporte de las partculas fundidas.

A continuacin se realiza una breve descripcin de la tcnica, el equipo utilizado, as como los principales parmetros y variables del proceso. En este proceso se alimenta de dos alambres que sirven como electrodos, los cuales inicialmente estn aislados uno del otro y posteriormente avanzan para encontrarse en un punto por medio de un gas atomizado, ver figura 3-3.

Figura 3-3. Esquema tpico del proceso por arco elctrico [14].

Captulo (3) 31

Es una tcnica se pueden lograr valores de adherencias adecuadas para muchas aplicaciones industriales, permite una alta velocidad de depsito, con un mnimo calentamiento de la superficie y se puede utilizar para aplicaciones de cualquier material trefilado. Entre sus limitaciones se encuentra el no poder aplicar polmeros ni algunos cermicos

Las variables del proceso que inciden en la calidad del depsito son:

Voltaje.

Velocidad de alimentacin.

Amperaje.

Presin de aire.

Presin de aire auxiliar.

Distancia de aplicacin.

Adems se debe tener en cuenta las variables del substrato como la preparacin y la clase de material y temperatura entre otros.

Este sistema utiliza una pistola especial (figura 3.4), en donde la corriente de descarga se puede regular automticamente, al seleccionar la velocidad de alimentacin, ya que entre mayor sea esta, el amperaje aumenta. La presin de aire desempea una funcin muy importante, ya que incide en la atomizacin del material fundido, y adems determina la energa de impacto con el substrato.

El calentamiento y la fusin se producen cuando los dos alambres con cargas elctricas opuestas se encuentran, generndose un arco controlado (ver figura 3-4). Un chorro de gas (arco comprimido) fluye a travs de la zona del arco y proyecta el metal lquido en forma de gotas fundidas sobre el substrato.

Figura 3-4. Detalle de la ubicacin del sitio donde se forma el arco.

Durante el proceso se generar sobrecalentamiento de las partculas que conduce a que se presenten interacciones metalrgicas, despus del impacto de stas sobre el metal del substrato, lo cual puede conducir a la formacin de pequeos puntos de soldadura que incrementan considerablemente la resistencia a la adherencia y la cohesin, comparadas con las resistencia que se generan por los procesos de proyeccin trmica por llama.

32 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

La tasa de deposicin es 55 kg/h para el caso de las aleaciones base nquel y el calentamiento del substrato es ms bajo que en otros procesos, debido a que no hay ninguna llama en contacto con la superficie de la pieza. Por otro lado, salvo algunas excepciones no se requieren gases costosos y empleando alambres diferentes se pueden obtener pseudoaleaciones como por ejemplo cobre-tungsteno, bronce-acero y aluminio-molibdeno.

3.1.1.1 Formacin de la microestructura del recubrimiento

Las propiedades del recubrimiento estn relacionadas principalmente con la microestructura de los mismos, as como de la interface entre el sustrato y la capa de recubrimiento.

De acuerdo con algunas investigaciones [1], dos de los factores que influyen grandemente en el proceso de arco elctrico y que constituyen una desventaja en el momento de evaluar las propiedades del recubrimiento, son la presencia de xidos debida al oxigeno del aire utilizado para la atomizacin de las partculas fundidas, as como los poros presentes en la microestructura. Las propiedades del recubrimiento estn relacionadas principalmente con la microestructura de los mismos, as como de la interface entre el sustrato y la capa de recubrimiento.

La forma de las partculas depositadas depende grandemente de la energa con que las partculas impactan al sustrato y a las capas depositadas. La energa de impacto determina igualmente la rugosidad superficial. Adems se considerar que la rugosidad superficial depende de la temperatura y velocidad de las partculas dentro del chorro.

Para obtener una mayor eficiencia en el depsito, optimizando el ancho de la pluma (llama), independientemente del tamao de los componentes, es un objetivo importante para controlar la calidad de la aplicacin. Esto es ms importante cuando se trata de realizar aplicaciones sobre reas pequeas (baja corriente y alta presin de atomizacin).

El tamao que se forman en el rociado trmico por arco es relativamente grande, del orden de m sin embargo, los splats formados con la tcnica de arco son ms delgados que los obtenidos por plasma y HVOF. Las variaciones en la microestructura durante la aplicacin estn relacionadas con subprocesos que ocurren en la misma. Estos subprocesos son principalmente los de formacin de los splats y la oxidacin. Los recubrimientos con arco contienen importantes contenidos de xidos metlicos. Estos xidos se forman la trayectoria de las partculas entre la boquilla y el sustrato, tambin los que se forma sobre las partculas depositadas, en la interfase de partculas fundidas o a medio fundir con la partculas que se depositan encima de ella. Por otro lado, la oxidacin en la trayectoria depende principalmente de la cantidad de aire presente, la temperatura de la partcula y la turbulencia producida por la corriente de aire sobre el flujo de las partculas, es decir la presin de la mezcla de gas.

A continuacin se describe la forma en que cada uno de los principales parmetros utilizados en el proceso influye en la formacin de la microestructura.

3.1.2 Equipo de arco

La figura 3.5 presenta el equipo de proyeccin por arco utilizado en esta investigacin. El equipo utilizado presenta caractersticas similares a las del proceso de soldadura MIG,

Captulo (3) 33

pero tiene dos alambres en lugar de uno. Una caracterstica importante de este equipo es la sincronizacin en la velocidad de avance del alambre en cercana del rollo, y en la pistola. El equipo de arco utiliza una conexin flexible entre el eje de salida del sistema de halado en proximidad del rollo, y el sistema de halado en la pistola, sin necesidad de incorporar motor adicional en la misma. Esto favorece la disminucin en el peso.

Figura 3.5. Equipo de arco elctrico. a) Sistema de alimentacin de los alambres, b) carretes de suministro de alambre y panel frontal y c) componentes de la pistola

a)

b)

c)

La obtencin de un recubrimiento de buena calidad en un sistema de proyeccin trmica est determinada principalmente por la energa de las partculas que impactan sobre el sustrato y sobre las consecuentes capas de depsito. Esta energa est determinada por la temperatura y velocidad de las mismas.

Protector alambre rollo

izquierdo

Eje flexible

Protector alambre rollo

derecho

34 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

La temperatura aporta la energa para poder lograr la fusin del material, mientras que la velocidad se relaciona con la energa con que la partcula impacta la superficie del sustrato. La rugosidad en la superficie est determinada por la temperatura, ya que a mayor temperatura, las partculas se funden ms fcilmente y su tamao es menor.

La velocidad de alimentacin tambin es importante ya que influye en el rendimiento de la aplicacin y en el espesor del depsito. Tambin en el valor de la energa que debe aportar el arco para la fusin del material ya que entre mayor velocidad de alimentacin, se logra mayor energa para poder fundir el material. Un incremento en la velocidad de alimentacin conlleva un aumento de la corriente y disminucin en la velocidad de las partculas, aumenta la temperatura y se incrementa el dimetro de las partculas y la cantidad de las mismas.

Una disminucin en la corriente produce un aumento de la velocidad de las partculas, debido a la menor masa fundida para acelerar [14], es decir, cuando se aumenta o disminuye la velocidad de alimentacin, tambin lo hace la corriente generada por el equipo, con el objetivo de mantener la fusin del material sin importar la cantidad que pase por unidad de tiempo. El material sobrecalentado en la punta de los electrodos solamente es retirado cuando la viscosidad del lquido y la tensin superficial se han reducido y el volumen fundido se incrementa suficientemente, de modo que la punta del alambre se vuelve inestable debido a la presin dinmica del aire. En este punto el material fundido es removido aproximadamente a la misma temperatura independientemente de la velocidad de alimentacin.

El voltaje de descarga es otro parmetro de depsito de importancia en la calidad de un recubrimiento. De acuerdo con Newbery [82] con el aumento del voltaje se logra disminuir la velocidad de las partculas y aumenta la temperatura del rociado. Esto debido a que la potencia trmica disipada en el arco es mayor. Por la misma razn, el tamao de las partculas es menor con mayor voltaje. Debido a esto, estas partculas pueden tener una mayor aceleracin producida por el gas de atomizacin. Esto es particularmente cierto para las partculas en cercanas de la boquilla. En proximidad del sustrato, las partculas desaceleran por la disminucin en la presin dinmica del gas. Esto significa que tienen menor inercia y velocidad.

El tamao de las partculas est altamente relacionado con el voltaje del arco, lo cual se refleja igualmente en la microestructura [14]. A bajos voltajes las partculas tienen forma esferoidal, y tienden a solidificar durante el trayecto hacia el sustrato.

La presin juega un papel importante en la velocidad de las partculas ya que es el factor ms importante para la velocidad y enfriamiento de las partculas. Con el aumento de la presin del gas se incrementa tambin la velocidad de las partculas debida a que hay un aumento en la presin dinmica de las partculas, que es proporcional al cuadrado de la velocidad del gas. Las partculas ms pequeas de material fundido, se aceleran y desaceleran ms fcilmente por la mayor fuerza de arrastre y menor inercia. Una vez que las partculas superan la velocidad del gas, se desaceleran ms fcilmente. En cercanas del sustrato los efectos se contrarrestan. La principal razn que explica el aumento de velocidad, es debido al aumento en la presin dinmica.

La presin de atomizacin puede aumentar o disminuir la temperatura de las partculas, Como el aumento en la presin produce una mayor oxidacin en el caso del aire, y esta es una reaccin exotrmica; con la atomizacin con aire la temperatura aumente.

Captulo (3) 35

Cuando las distancias del sustrato son altas, los efectos se compensan y la temperatura resulta ser independiente de la presin del gas.

Los equipos de arco pueden tener un segundo sistema de aire (presin secundara). Este aire tiene como funcin principal proveer el enfriamiento a los componentes de la boquilla que es la zona en donde se genera el arco y la temperatura es ms alta. Tambin ayuda a direccionar la salida del chorro, influye en el espesor del recubrimiento, la rugosidad y la eficiencia de la aplicacin.

La distancia de proyeccin es otro de los parmetros importantes para determinar la microestructura y propiedades del recubrimiento. Influye en la adhesin, el espesor del recubrimiento, la fusin de las partculas, la forma de los splats y la formacin de xidos. Finalmente se debe considerar que los la preparacin de la superficie. Se recomienda una superficie rugosa y limpia que garantice una buena unin mecnica durante el depsito del recubrimiento.

3.1.3 Aplicacin del revestimiento

Se recomienda el depsito de los recubrimientos siguiendo las recomendaciones de los proveedores o normas como la ANSI AWS C216. Sin embargo, para ciertas aplicaciones y en ambientes especficos como una regin martima, se puede hacer un estudio preliminar para determinar una buena combinacin de parmetros y variables que aseguren una buena calidad del recubrimiento en servicio.

En general para un buen depsito se debe asegurar una temperatura adecuada del sustrato, limpieza de la superficie del substrato, rugosidad del substrato que favorezca un buen perfil de anclaje (ver figura 3.6). Existen varios mtodos para realizar los pasos anteriores, por ejemplo una de las prcticas aceptadas, est descrita en la norma AWS C2.17.78, la norma MIL STD o la norma ASTM/AWS E 1187, se aplica la limpieza del material del substrato. En forma de resumen, en la tabla 3.1 se observa la comparacin para algunas rugosidades obtenidas con diferentes procedimientos.

Figura 3-6 Superficie de anclaje del sustrato.

36 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Tabla 3.1 Relacin entre la rugosidad de la superficie y el mtodo empleado para pulir. Datos promedio de rugosidad en m

Mtodo de preparacin superficie

Perfil de rugosidad promedio

(Ra)

Coeficiente de

variacin

Arena A1 Arena A2 Pulidora

Lija

El material se puede precalentar la pieza, teniendo la precaucin de hacerlo de acuerdo con el material de que se trate, la clase de trabajo a realizar y el rea que se va a tratar. En algunos casos esto no es necesario. La aplicacin se debe hacer por capas, y en ningn caso debe haber menos de dos pasadas por toda la superficie del sustrato. Las capas se deben traslapar en cada pasada, para garantizar cubrimiento uniforme. Se debe tener en cuenta que al realizar la aplicacin la temperatura de la pieza no debe permanecer en los siguientes valores por ms de una hora: acero 176.6 C

La norma MIL define dos clases de sistemas de aplicacin de recubrimiento:

Tipo I: para componentes a alta temperatura. Consta de 250 a 375 micras de metal fundido de aluminio, ms la capa de sello.

Tipo II: para equipo de lado superior y espacios interiores hmedos, consta de 175 a 250 micras de aluminio rociado ms la capa de sello. Cuando se especifica una capa de recubrimiento superior, el espesor de la capa de metal rociado se reduce a 75-100 micras.

Se recomienda que la pistola se debe mantener a una distancia entre 125-150 mm de la superficie, o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante del equipo, el ngulo entre el rociado y la superficie debe ser de 90 y no menor de 45.Cuando se recubren piezas de geometra compleja, el operario debe garantizar que no se presente sobre rociado en reas que no lo requieren, y debe utilizar cinta de enmascarar o compuestos adecuados. El nmero de pasadas calculan previamente, dependiendo del tamao de la pieza, as como el maquinado o tratamiento que se haya especificado posterior al revestimiento. Para esto se tiene en cuenta que el espesor por cada pasada es de aproximadamente 200 micras. El enfriamiento de la pieza se debe hacer con aire o un gas como CO2, no directamente en el rea de rociado. La aplicacin solamente se debe interrumpir para medir el espesor, o la temperatura, o para evitar sobrecalentamiento de la pieza. Posterior al enfriamiento, se puede hacer un mecanizado para garantizar el espesor de recubrimiento para cierta aplicacin y mejorar su apariencia superficial. Si no se especifica el espesor para mecanizado, no deber sobrepasar de 0.030 pulgadas. Para mecanizado o rectificado, la sobredimensin mnima es de 0.010 pulgadas sobre la dimensin final. Tambin se debe remover el sobre rociado para prevenir que las grietas se extiendan dentro de la capa principal. El rectificado se puede realizar siguiendo las indicaciones de la norma MIL STD 866.

Captulo (3) 37

3.1.3.1 Fundamentos de corrosin.

La corrosin se puede definir como el deterioro de los metales debido a reacciones electroqumicas que ocurren con el ambiente. Generalmente los productos formados en la reaccin son similares a las generadas cuando se produjo el metal en el proceso metalrgico, ya que cada metal vuelve a su forma natural, haciendo a la corrosin un proceso inverso al de la extraccin [18].

Cada metal presenta distinta tendencia a corroerse, la mayora se encuentran en la naturaleza en formas de xidos, sulfuros, carbonatos y otros compuestos complejos. Estos compuestos estables cumplen segn la termodinmica su nivel de mnima energa libre de Gibbs (ver figura 3-7) y mxima entropa; pero al ser procesados para convertirlos en metales puros se vuelven inestables y tienden a regresar a su estado de mnima energa, reaccionando con el ambiente y produciendo la corrosin [18].

Metales como el Oro y el Platino, poseen bajo potencial electroqumico, por lo tanto son muy difciles de corroer, mientras los metales base como el Aluminio o el Platino se corroern ms fcilmente. Esto se debe a su configuracin electrnica, ya que esto determina la energa de cada tomo que surgen de energas de correlacin, debidas principalmente a interacciones entre electrones (ver figura 3-7), afectando su campo electrosttico, y a su vez, se relaciona con la reactividad qumica o con la tendencia del metal para cambiar de un estado libre a un estado de in metlico [18].

Una reaccin de corrosin se puede interpretar como una reaccin de ionizacin del

metal, es decir cuando un tomo pierde electrones quedando con exceso de cargas

positivas, el in positivo es el catin y el negativo el anin. Si M es el metal y de valencia

n, la reaccin electroqumica estar dada por la expresin:

neMM n (1)

Donde M+n es su forma inica y n el nmero de electrones cedidos.

Figura 3-7. (a) Cambios energticos en el proceso de corrosin. (b) Reaccin de la corrosin en el metal [18]

(a) (b)

38 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Para establecer si la reaccin puede ocurrir espontneamente bajo ciertas condiciones,

es necesario conocer los cambios energticos de la reaccin, determinando la energa

del metal antes y despus de que se produzca la corrosin, esto se puede hacer gracias

a la termodinmica, que proporciona la informacin a unas condiciones precisas de

presin y temperatura.

Como se mencion anteriormente, las consideraciones termodinmicas en electroqumica nos permiten conocer si la reaccin puede o no ocurrir sin entrada de energa externa; si la disolucin del metal no es favorable termodinmicamente se presentan una serie de circunstancias generalmente asociadas con el cambio de pH en la reaccin.

A partir de la primera y de la relacin de energa libre de Gibbs se llega a la siguiente ecuacin:

TSPVUG (2)

Hay dos valores que puede tomar esta relacin:

G>0. Cuando esto ocurre significa que el metal no tuvo reaccin con su entorno por lo tanto no se corroe.

G0. Significa que el metal es activo y con una alta probabilidad de que se corroa. Aunque es posible que no se corroa, esto se debe al fenmeno de pasivacin [19] .

G est relacionado con el cambio de la energa de carga que pasa a travs de una diferencia de potencial E en la interfase metal/solucin a travs de la siguiente ecuacin

[20].

nFEG (3)

Llamada ecuacin de Nerst, donde n es el nmero de electrones intercambiados en la reaccin y E el potencial [19] y F la constante de Faraday.

Cuando se demuestra que la reaccin de la corrosin puede ocurrir (G0) se recurre a la cintica, para establecer la velocidad a la que ocurre la reaccin, es decir nos suministrar informacin acerca de la cantidad de metal por unidad de tiempo que se est disolviendo en un medio dado, cuando este sistema est desplazado de una situacin de equilibrio.

La probabilidad de que una molcula o in reaccione en la superficie, depende de la concentracin de las sustancias. El potencial electroqumico en equilibrio E0, est relacionado con la concentracin de las especies que componen la solucin, la disolucin del metal se produce cuando su potencial se encuentra en un rango de valor fuera de del potencial de equilibrio E0 dado por la siguiente ecuacin:

0EE (4)

Captulo (3) 39

Donde es el sobrepotencial y E el potencial de corrosin. La razn de concentracin est controlada por la magnitud de las barreras de energa de las partculas involucradas en la reaccin (ion, tomo). El valor de esa fraccin se representa mediante la ecuacin de Arrhenius, suponiendo que una fraccin de partculas tiene la suficiente energa para que se presente la transformacin.

RTGAp /

(5)

Cuando existe transportacin inica o de cargas en el electrodo, el valor de p se presenta como corriente elctrica y utilizando la ecuacin de Nerst se llega a la siguiente ecuacin:

RTnFERTG kKi //

(6)

El flujo de electrones propicia que los potenciales de equilibrio de cada una de las fases se desven de su valor inicial, este fenmeno se conoce como polarizacin [16].

Por otro lado la resistencia a la corrosin de los metales depende de la presencia de una capa de xido protectora en la superficie. Es posible que bajo algunas circunstancias esta capa se degrade, por ejemplo en cidos reductores, o en algunos ambientes donde la misma atmsfera sirve como medio reductor. En cualquier caso, las reas donde esta capa de xido se rompe sirven como cavidades que promueven la corrosin por rendija (crevice). El factor ms importante en la corrosin por crevice es la anchura de la rendija, ya que esta debe tener el suficiente ancho para permitir la entrada de la solucin, pero debe tambin ser lo suficientemente estrecho como para que la solucin se mantenga estancada dentro de la rendija, por lo cual, este tipo de corrosin ocurre normalmente en grietas o espacios de unos cuantos micrmetros de ancho, y no se encuentra en lugares donde estos espacios tienen buena circulacin de la solucin. Una manera fcil de evitar este mtodo de corrosin es disear correctamente, si en el diseo se pueden evitar rendijas o lugares pequeos con poco o nulo flujo de la solucin de trabajo se debe hacer o en su defecto, reducir este tipo de lugares al mnimo posible. La corrosin por rendija tiene un mecanismo muy similar a la corrosin por picado, por lo que las aleaciones resistentes a uno de estos tipos de corrosin son por lo general resistentes a ambos, sin embargo la diferencia entre estos dos tipos de corrosin es que la corrosin por rendija es una corrosin ms agresiva que la corrosin por picado y sucede a temperaturas muchos ms bajas que esta. Ahora bien, aunque el mecanismo de corrosin por rendija puede (pero no siempre) ser similar a la corrosin por picado, hay suficientes diferencias como para justificar un tratamiento diferenciado. Por ejemplo, en la corrosin crevice, hay que considerar la geometra de la rendija y la naturaleza del proceso de concentracin que lleva al desarrollo de la diferenciacin local de la composicin qumica.

El medio circundante inmediato de las rendijas puedes desarrollar condiciones qumicas (tanto de concentracin como de composicin) muy distintas a las del resto del medio o solucin del fluido. Existen dos factores determinantes en la iniciacin de este tipo de corrosin:

1. La composicin qumica del electrolito dentro de la rendija

2. La cada de potencial dentro de la rendija

Los investigadores haban afirmado previamente que uno u otro de los dos factores era el responsable de dar inicio a la corrosin por rendija, pero recientemente se ha demostrado que es una combinacin de los dos lo que causa el comienzo de la

40 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

corrosin. Ambos factores son de gran importancia en el comienzo del fenmeno corrosivo, ambas, tanto la cada de potencial como el cambio en la composicin qumica del electrolito en la rendija son causadas por una desoxigenacin de la rendija y una separacin de reas electroactivas, esto permite que una serie de reacciones catdicas ocurran en el exterior de la rendija y reacciones andicas sucedan dentro de ella. La diferencia entre las reas de las regiones catdicas y andicas tambin es importante, tambin lo es la diferencia de concentracin entre la solucin dentro y fuera de la rendija, en especial la concentracin de oxgeno, pues parte de este fenmeno se debe a que entre el metal en la rendija y el resto de l se crea una celda de concentracin, donde como sabemos, la parte donde la concentracin es menor funciona como nodo y el resto acta catdicamente, lo cual se ve claramente en este tipo de corrosin, pues dentro de la rendija hay una escases de oxgeno (o baja concentracin de solucin) y est (la rendija) actuar como nodo. La corrosin crevice tambin se ve aumentada por la presencia de iones cloruro.

3.1.3.1.1 Pruebas electroqumicas para deteccin de la corrosin

Los estudios sobre corrosin son de vital importancia en la industria manufacturera, ya que nos brindan un anlisis completo y confiable acerca de las propiedades y el comportamiento del material frente a este fenmeno. En las ltimas dcadas han evolucionado rpidamente distintos mtodos para la evaluacin de la corrosin, tomando mayor fuerza aquellas que son pruebas electroqumicas como polarizacin potenciodinamica; stas consisten en la aplicacin de seales de potencial y el registro de su respuesta en corriente, o bien la aplicacin de seales de corriente y el registro de la repuesta en potencial. De las dos maneras, se polariza la interfase, y su respuesta es caracterstica de cada sistema motivo de estudio. Por medio de estas pruebas se pueden inferir caractersticas como: la velocidad de la corrosin, las caractersticas activas-pasivas de un sistema en los materiales, la densidad de corrosin y el porcentaje de porosidad de un recubrimiento.

3.1.3.1.1.1 Extrapolacin de Tafel o polarizacin potenciodinmica

Esta tcnica mide las caractersticas de polarizacin experimentalmente, alcanzando una respuesta en corriente en funcin del sobrepotencial aplicado. Proporciona informacin acerca de: la capacidad del material para pasivarse espontneamente en determinado medio, la regin del potencial donde permanece pasiva, la velocidad de corrosin del sistema en estudio, zonas de evolucin de hidrgeno u oxgeno. La Figura 3-8 presenta un esquema del ensayo de polarizacin en donde se pueden observar las zonas de estudio ms relevantes.

Captulo (3) 41

Figura 3-8. Curva de polarizacin [19].

Donde cada regin representa:

A. Potencial de corrosin.

B. Zona activa, en esta zona conforme incrementa el sobrepotencial, aumenta la velocidad de corrosin, por tanto existe un comportamiento activo.

C. Potencial de pasivacin.

D. Corriente crtica, que es la zona donde inicia el proceso de pasivacin.

E. Zona activa-pasiva.

F. Zona pasiva, en esta etapa se mantiene la misma velocidad de corrosin a pesar de un aumento en el sobrepotencial, la formacin de capas pasivas de productos de corrosin protectores impide que el material se siga consumiendo.

G. Corriente de pasivacin.

H. Evolucin de oxgeno.

Experimentalmente se pueden medir las caractersticas de polarizacin cuando se aplica

un potencial con respecto al potencial de reposo, obteniendo una respuesta de corriente

en funcin del sobre-potencial aplicado. La corriente medida, es normalmente graficada

en escala logartmica debido a que puede variar en varios rdenes de magnitud. En la

figura 3.8 se muestra esquemticamente la curva de polarizacin y en la regin Tafeliana

se presenta la reaccin andica y catdica de un proceso de corrosin. En este ejemplo,

se muestra la corrosin de un metal (conocido como electrodo de trabajo en una celda

electroqumica) en un electrolito cido. En este caso la velocidad de corrosin est

controlada por un proceso de transferencia de carga en la interfase metal/electrolito. Esta

Potencial ()

Densidad de corriente log|j|

42 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

condicin se conoce como control por activacin y se dan simultneamente las siguientes

reacciones:

MeFe2++2e (Reaccin andica)

2H++2eH2 (Reaccin catdica)

Segn se mencion al describr el proceso de corrosin, existe un fenmeno de adsorcin de solucin por parte recubrimiento.

Durante el proceso de corrosin ocurren varias reacciones, entre las que se pueden mencionar:

Adsorcin de cloro.

Disolucin de xido de hierro por los iones cloro.

Cambios en la concentracin de oxgeno e iones metlicos en el electrolito.

Pueden desarrollar capas de difusin cambiando en la actividad superficial principalmente a medida que el electrolito penetra en el recubrimiento (regiones internas del recubrimiento menos oxidadas).

En los ensayos electroqumicos con la aplicacin de un voltaje al electrodo de trabajo en

una celda electroqumica se puede medir la densidad de corriente de corrosin, jcorr.

Para ello, se asume que los procesos andicos y catdicos estn controlados por la

cintica de la reaccin de transferencia de electrones en la superficie del metal, que es el

caso en las reacciones de corrosin.

La siguiente relacin, que es experimentalmente observada en un sistema de corrosin,

relaciona la densidad de corriente electroqumica y potencial en las tcnicas de

polarizacin electroqumica (generada de la ecuacin Butler-Volmeri):

(7)

donde j es la densidad de corriente medida, jcorr es la densidad de corriente de corrosin,

E es el potencial aplicado, Ecorr es el potencial de corrosin, a y c son los coeficientes

Tafel que dependen del mecanismo de reaccin, los cuales estn relacionados con las

c

corr

a

corr

corr

EEEEjj

)(3.2exp

)(3.2exp

Captulo (3) 43

pendientes de las curvas de polarizacin en los regiones catdicas y andicas y se

definen como:

y (8)

La determinacin experimental de los parmetros cinticos jcorr, a, c, se hace mediante

una representacin grfica en una escala logartmica de j, con el fin de obtener una

relacin lineal entre log j y el sobrepotencial, , ( = E-Ecorr) tal como se observa en la

figura 2.33.

Para polarizaciones suficientemente grandes, la ecuacin (2.42) se reduce a las

semireacciones andicas y catdicas que corresponde a las rectas Tafel. De tal manera

que el sobrepotencial andico a y catdico c quedan definidos por:

a=aa + balogj donde aa=-2.303alnjcorr y ba=2.302a (9)

c=ac + bclogj donde ac=-2.303clnjcorr y bc=2.302c (10)

Estas ecuaciones describen los lmites andicos y catdicos de la ecuacin (2.42). Ahora

bien, en la regin Tafeliana de las curvas de polarizacin, experimental se pueden

extrapolar las rectas de las regiones andicas y catdicas hasta el valor del potencial de

corrosin Ecorr, y el punto de interseccin permite determinar la densidad de corriente de

corriente de corrosin. Adems de las pendientes de estas rectas se calculan los

coeficientes de Tafel.

Con la determinacin del valor Icorr (en A/cm2), se puede determinar la velocidad de

corrosin, Vcorr directamente de acuerdo a la siguiente expresin:

.).)()(( EPIcorrKVcorr

(11)

Donde P.E. es el peso equivalente de las especies que se corroen en

gramos/equivalentes, es la densidad de las especies que se corroen en gramos/cm3 y K es una constante que define las unidades de la velocidad de corrosin, por ejemplo:

a

ajd

dE

ln

c

cjd

dE

ln

44 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Unidades K

mm/ao 3272

m/ao 3.272x106

milipulgadas/ao 1.288x105

La grafica de polarizacin tambin da informacin de la capacidad del material para pasivarse espontneamente en determinado medio, la regin del potencial donde la especie permanece pasiva y zonas de evolucin de hidrgeno u oxgeno.

3.1.4 Fundamentos de Desgaste

El desgaste se puede definir como el deterioro gradual de una superficie slida debido al

movimiento relativo al estar en contacto con otra superficie, ver figura 3.9. Dependiendo

del mecanismo de remocin de material, el desgaste puede ser de seis tipos: adhesivo,

abrasivo, corrosivo, por fatiga, erosin y cavitacin. El proceso de desgaste se refiere a la

prdida progresiva de material en la interfase de dos cuerpos cuando estn sometidos a

un movimiento relativo bajo la accin de una carga. No solo se debe a la accin

mecnica del contacto con slidos sino, en general, a la interaccin con un slido, lquido

o gas.

Figura 3-9. Esquema caracterstico del fenmeno de desgaste.

El desgaste abrasivo se presenta continuamente en muchas superficies metlicas

cuando partculas se mueven a lo largo de la superficie slida, produciendo el

desprendimiento del material base. En este sistema el material abrasivo generalmente

tienen una mayor dureza o igual al material que ser sometido a desgaste abrasivo.

Captulo (3) 45

Ahora bien como en el proceso de desgaste abrasivo hay movimiento relativo entre dos

slidos, que puede ser unidireccional o de vaivn, ya sea deslizante o de rodamiento.

Puede existir una combinacin de estos dos ltimos, o el desgaste puede deberse a un

movimiento oscilatorio de pequeas amplitudes. Una forma de cuantificar las tasas de

desgaste por abrasin es mediante la siguiente relacin matemtica:

H

KPLW

3

(12)

En donde W es la tasa de desgaste por abrasin, K es una constante de desgaste, P es la carga aplicada, L la longitud recorrida y H la dureza del material de la muestra.

En este caso, el desgate ocurre por remocin de material de una superficie por accin del deslizamiento unidireccional de partculas de otro material. Cuando un cuerpo duro se desliza sobre una superficie blanda, al aplicar el esfuerzo se imprimen plsticamente surcos sobre esta y el mecanismo se conoce como desgaste por abrasin de dos cuerpos. Se pueden producir partculas duras sueltas que entran en la interfase deslizante actan como esmeriles y el proceso de eliminacin de material por su accin se conoce como desgaste por abrasin de tres cuerpos, ver figura 3.10.

Figura 3-10. Esquema ilustrativo del proceso de desgaste abrasivo [24].

Para cuantificar la resistencia al desgaste abrasivo de las superficies metlicas, se

recomienda utilizar un ensayo de desgaste severo de tres cuerpos que se estableci la

norma ASTM G-65. En este ensayo se somete una probeta del material a evaluar a un

chorro de arena que junto con una rueda de caucho de alta dureza generan las

condiciones abrasivas necesarias para evaluar este tipo de comportamiento, ver figura

3.11.

46 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Figura 3-11. Dispositivo para ensayo de desgaste por abrasin ASTM G65.

En el ensayo de resistencia al desgaste se puede presentar los resultados en funcin del

volumen de material perdido en milmetros cbicos, o con el coeficiente de desgaste que

se incluye la carga del ensayo y el recorrido total. Este ensayo tiene en cuenta la dureza

de los materiales con los siguientes procedimientos, los cuales depende mucho de las

propiedades del material a ensayar.

Procedimiento A: Procedimiento general que permite clasificar los materiales en

una amplia escala de volumen perdido, desde baja hasta alta resistencia al

desgaste.

Procedimiento B: Puede ser usado en materiales de alta resistencia al desgaste,

pero es particularmente til para ensayar materiales de baja a mediana

resistencia al desgaste; debe ser usado principalmente cuando el volumen

perdido obtenido en el procedimiento A excede los .

Procedimiento C: Aplicacin del procedimiento A para recubrimientos delgados.

Procedimiento D: Es una variacin del procedimiento A, pero esta vez con una

menor carga que permite ensayara materiales de baja resistencia al desgaste.

Procedimiento E: Variacin del procedimiento B, para aplicaciones de materiales

de resistencia media al desgaste.

En la tabla 3.1 se especifica las condiciones de los procedimientos, con el tiempo de

exposicin de las probetas representado en las revoluciones de la rueda de caucho.

Captulo (3) 47

Tabla 3-2. Parmetros de los procedimientos A, B, C, D y E.

Se recomienda presentar los resultados del ensayo el volumen perdido en milmetros

cbicos , especificando los parmetros del procedimiento usado; mientras que la

masa perdida resultante puede ser usada nicamente en las pruebas internas de los

laboratorios, para comparar materiales con densidades equivalentes.

(13)

3.2 Tcnicas de caracterizacin

Se refieren a los ensayos realizados sobre los materiales de los sustratos y de los recubrimientos, con los objetivos de poder realizar una descripcin cualitativa y en lo posible cuantitativa de la geometra, topografa, microestructura de los materiales involucrados en los experimentos.

3.2.1 Caracterizacin microestructural

Segn se ha mencionado, las propiedades de diferente clase de los recubrimientos estn muy relacionadas con al microestructura, as como con la morfologa y topografa de los mismos.

Por esta razn es importante realizar la caracterizacin de ambas caractersticas en los recubrimientos.

3.2.1.1 Difraccin de Rayos X (XRD)

Las tcnicas de difraccin de rayos X brindan una vasta informacin acerca de las estructuras cristalinas de los materiales, como: las fases presentes, tamao del cristalito, microtensiones y macrotensiones, parmetro de red, distancia entre planos. Esto es posible ya que algunas de las longitudes de onda de los rayos X son de la misma longitud de onda que la distancia interplanar de la red cristalina en cuestin [26]. Esta tcnica se basa en la ley de Bragg, la cual plantea que los Rayos X incidentes sobre una muestra cristalina producirn difraccin de estos cuando se cumple la siguiente relacin:

n = 2dsen (2.40)

48 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

donde, es la longitud de onda de los Rayos X, es el ngulo de difraccin (medida con

respecto a los planos de difraccin), d es la separacin entre planos y n es el orden de

reflexin, ver figura 3.12.

Los Rayos X difractados se analizan segn las siguientes caractersticas:

Su posicin angular respecto al haz incidente (identificacin de fases)

La intensidad depende del plano difractante para una estructura cristalina dada y

la fraccin de volumen de los granos en condicin de difractar (nos puede indicar

la orientacin preferencial)

La forma, que relaciona la distribucin de la intensidad alrededor del ngulo de

difraccin.

Figura 3.12.. Representacin esquemtica de la difraccin de Rayos X.

3.2.2 Microscopia de Barrido Electrnico (SEM)

El microscopio de barrido electrnico logra obtener una imagen y analizar especmenes

en bloque. La emisin de electrones del ctodo se da por efecto Schottky o emisin de

campo y emisin termoinica. Los electrones son acelerados a una diferencia de

potencial entre el ctodo y el nodo que puede ser tan bajo como 0.1 KeV o tan alto

como 50 KeV. Un haz de electrones consiste en un flujo colimado de electrones libres

dotados de velocidad elevada. La carga elctrica de los electrones permite, primero: la

aceleracin de los mismos mediante campos electrostticos, lo cual brinda una gran estabilidad y control de los parmetros necesario conseguir un haz de seccin muy fina, por lo que la divergencia inherente del haz esenciales. La velocidad de los electrones

Captulo (3) 49

aumenta linealmente con la tensin de aceleracin hasta un lmite relativista; segundo: en determinadas aplicaciones es debe ser corregida [26].

El microscopio electrnico de barrido (SEM), permite obtener imgenes de un material a

partir de la visualizacin de las distintas seales que se generan al incidir el haz de

electrones en alto vaco sobre la superficie de la muestra, tal como se puede ver en la

figura 3.13. Cada una de estas seales puede ser detectada separadamente y

visualizada.

Figura 3.13. (a) Esquema de funcionamiento del microscopio electrnico de barrido (b)

Seales que se originan en la superficie de una muestra como resultado de la interaccin

con el haz de electrones

3.3 Diseo de experimentos. Mtodo de Taguchi.

El mtodo de Taguchi se define segn [79] como:

Eficiente sistema que ayuda a obtener una combinacin ptima de diseo de

parmetros para que el producto sea funcional y ayude a obtener un alto nivel de

desempeo y que sea robusto a los factores de ruido.

Taguchi divide los factores del proceso en dos clases:

Factores controlables (parmetros).

Factores no controlables (Factores de ruido).

Los factores de ruido presentan una mayor sensibilidad cuando las condiciones externas

al sistema o proceso cambian. Su variabilidad es transmitida a las respuestas de salida

del proceso.

Generador

de Barrido

Detector

Muestra

Objetivo

Condensador

GrillaAnodo

Filamento

Contol de

amplitud

Amplificador

Tubos de rayos

X

Sistema de vacio

50 Ttulo de la tesis trabajo de investigacin

Durante el diseo del experimento es posible controlar las dos clases de factores. Se

trata entonces de determinar la combinacin de los parmetros que es menos sensible a

las variaciones en los factores de ruido. Este conjunto de parmetros permite un proceso

con menor variabilidad.

Indicador de calidad de Taguchi.

Como indicador de calidad de la respuesta de las combinaciones de factores y niveles se

utiliza la cifra de mrito definida por Taguchi como relacin seal- ruido (S/N), que tiene

en cuenta el promedio y la variacin en un conjunto de experimentos. Para esta clase de

problema, se calcula mediante la expresin:

n

i iynN

S

0210

11log10

Yi: caracterstica de calidad.

n: nmero de experimentos.

S: slida til

N: ruido o salida no deseable.

Se construyen las respuestas promedio y los valores S/N para la matriz de Taguchi.

De acuerdo con la forma de la ecuacin anterior, se desea que